不間斷電源可靠性和可維護性的探究

李明祥

【摘 要】不間斷電源（UPS）供電系統是能夠提供持續、穩定、可靠電源供應的重要外部設備。其作為民航空中交通管制的附屬設備，其穩定性、可靠性決定著民航業的發展。隨著民航空管數據處理量以及主體設備的增多，UPS供電系統也日漸形成大的規模，其影響面已經擴大至整個民航空中交通管制系統，一旦出現故障就會導致不可估量的損失。目前市面上的不間斷電源供電系統品種繁多、供電方案多樣，如何衡量不間斷電源在供電系統的關鍵指標。本文通過對不間斷電源可用性的探究，分析不間斷電源的可靠性與可維護性，為不間斷電源的合理應用提供借鑒與參考。

【關鍵詞】不間斷電源；可靠性；可維護性；可用性

1 可靠性的基本概念

在這個迅速發展的科技時代，任何企業或個人都不希望自己所使用的設備出現故障。但那時絕不可能的，設備也有其壽命，故障的出現只是時間長短的問題，如何去規避設備出現故障，減少損失。因此我們就得掌握設備出故障的概率到底有多少。于是人們提出了“可靠性” 的概念，并逐步用一些計算量來表示。

1.1 可靠性

我們把元器件或系統在設定的時間段t內無損壞的概率定為該元件或系統的“可靠性”。可靠性我們用函數P（t）表示[1]，則可靠函數與時間t的關系如圖1所示。由圖可見，當時間為0時，系統的可靠性很高，隨著時間的推移，系統的可靠性呈指數函數下降，直至最后有可能出現故障。

圖1 可靠性隨時間變化曲線

1.1.1 平均無故障時間（MTBF，Mean Time Between Failures）

不間斷電源“平均無故障時間”描述的是不間斷電源供電系統能夠正常運行多長時間才發生一次故障。這是衡量UPS可靠性的重要參數，平均無故障時間越長，則可靠性越高。因為可靠性函數P（t）是時間的概率分布，所以平均無故障時間T為：

由此可見，平均無故障時間在數值上等于可靠性曲線與橫坐標軸所限定的面積，如圖2陰影部分所示。

1.1.2 故障率

在單位時間內（一般以年為單位），產品的故障總數與運行的產品總量之比叫“故障率”（Failure rate），常用λ表示[2]。例如某單位運行了100臺不間斷電源系統，一年之內出了2次故障，則該不間斷電源系統的故障率為0.02次/年。當產品的壽命服從指數分布時，其故障率的倒數就叫做平均故障間隔時間（MTBF），即：

T=MTBF=1 ？姿（2）

例如某壽命服從指數分布的不間斷電源的MTBF時間約為9萬小時，9萬小時約為10年，并不是說該不間斷電源系統能工作10年不出故障。而是由T=MTBF=1 ？姿可知，？姿=1 T=1 10=0.1，即該不間斷電源系統平均年故障率約為10%，也就是說一年內，平均100臺該不間斷電源有10臺會出故障。

1.1.3 不同供電方案的可靠性的分析

隨著科技的發展，不間斷電源供電方案也得到穩步的發展。如：單機供電方案、熱備份串聯供電、N+1并聯供電等。不同的供電方案，其系統可靠性也不一樣，如表1所示（假設每臺不間斷電源的可靠性P為0.99）。

表1 不同供電方案的可靠性分析

2 可維護性的基本概念

在電源供電系統中，設備出現故障時，需要維護。而維護時間的長短同時也決定著供電設備的可用性。因此就引入了平均維護時間（MTTR，Mean Time To Repair）和維修率μ的感念。此二者的關系為：

？滋=1 MTTR（3）

據統計不間斷電源系統維護過程中出現故障的概率占總故障概率的10%，也就是說一個不間斷電源系統的維護性同時影響著可靠性。很多用戶在選擇不間斷電源系統的時候只考慮可靠性與經濟條件，而忽略了可維護性。可維護性越高，說明UPS在維護過程中不間斷時間越短。

2.1 不間斷電源供電系統可維護性的分析

第一代動態UPS。其利用機械慣性儲能以及電動機、發電機的能量傳輸機制以提供短時間的不間斷供電，使用起來噪聲大。

第二代工頻UPS。有任何故障或者異常都只能依靠原廠家維修，運維人員操作性差，耽誤大量正常運行時間，對業務影響大。

第三代高頻UPS。高頻機從功能模塊上提升了維護性，縮短了MTTR時間，可在數小時內完成修復。但是，隨著科技的發展，各種先進元器件推陳出新：故障修復時間是否可以更大的去縮短？是否可以達到簡便的自行維護？

第四代模塊化高頻UPS。模塊化高頻UPS在可維護性方面揭開了歷史新篇章，維護技術門檻也大幅下降。對于單模塊容量50KVA以下的小系統模塊化UPS，采用模塊熱插拔技術運維人員可以自行在線維護和擴容，故障修復時間和擴容時間也縮短至分鐘級，對于單模塊容量200KVA以上的模塊化UPS，采用模塊隔離技術，雖然重量較重無法熱插拔，但運維人員可以自行在線分、合模塊來維護和查找故障，大幅度縮短修復時間，同時剩余模塊自行保證用戶的容量可用性[3]。

3 可用性概述

不間斷電源系統在供電方案選擇、機型選擇時，用戶都需要根據其重要性提出一個類似可靠性的一個概率值要求，即在規定時間內系統被有效利用的百分比，叫系統的可用性A。比如要求為99.99%或99.999%等。可用性的計算公式為：

A=MTBF （MTBF+MTTR）=？滋 （？滋 + ？姿 ）（4）

也就是說系統的可用性與系統的可靠性與可維護性有關。目前比較重要的數據中心要求可用性A不能低于0.9999，也就是說，一年中機器的不可用時間S不能大于規定時間。S的計算式如下：

3.1 可用性的分析

隨著UPS技術的越來越成熟，UPS高可用性的供電方案從單機系統逐漸演變成單機雙總線系統、單機三總線系統、并機雙總線系統等。為了研究方便，這里假設一些標準模塊，應用這些標準模塊可以建立各種供電系統的模型。標準模塊數據如表2所示。

3.1.1 UPS并聯冗余單路輸出可用性

圖3示出了并聯冗余單路輸出的供電模型。該模型中只有UPS并聯在電路中，其它模塊串聯在電路中。就利用創建的這個模型的故障和維修率數據來估算可用性。

根據這個要求分配的各模塊的故障率、維修率和可用性如表2所示，然后計算出該系統的總可用性為：

每年可能的故障時間為：T=365*24*（1-0.9936）=56.064小時。

3.1.2 UPS雙總線輸出可用性

圖4示出了UPS雙總線輸出的供電模型。該模型源于在實際數據中心有的負載需要雙路輸入電源接口，因此要求雙路供電。當一路電源故障時，傳輸電路會自動的將另一路接通。

如依舊利用上述的數據，則此時整個供電系統的可用性為：

每年可能的故障時間為：T=365*24*（1-0.99993）=36.729分鐘。可見增加了一些設備后，宕機時間從56小時降低到37分鐘。

4 結語

我國民航業與大數據中心的迅猛發展，在航班流量大幅增加的同時，空管基礎設施設備尤其是電力系統越發重要，電力系統的不間斷決定著民航的安全。本文通過對不間斷電源的可靠性和可維護性的探究。得出了這樣一個結論：并聯是提高可靠性的有效途徑，模塊化是提升可維護性的有利因素。因此，在實際數據中心建設的工作中，一定要根據數據中心特點與要求，采用合理的不間斷電源供電方案與型號，提升數據中心整體的可用性。

【參考文獻】

[1]王其英，何春華.新型UPS工作原理與實用技術及選購指南[M].人民郵電出版社，2006（7）.

[2]http：//wenku.baidu.com/view/fe35c10d6c65ec3a87c2c500.html[DB/OL].

[3]王其英.高健.構建高可用UPS供電系統[J].應用實踐，2014（10）.

[責任編輯：田吉捷]